Team:Slovenia/Slovenian

From 2012.igem.org

Izziv

Biološka zdravila, kot so hormoni, encimi, citokini ter protitelesa, se vse bolj pogosto uporabljajo za zdravljenje različnih bolezni. Ker poteka zdravljenje z biološkimi zdravili sistemsko (npr. zdravilo se injicira v kri, tako da doseže celotno telo, ne le obolelega tkiva), ima mnogokrat lahko stranske učinke. Poleg tega cena bioloških zdravil predstavlja hudo breme zdravstveni blagajni.

Naš cilj je bil razviti varen in cenovno ugoden sistem za produkcijo ter dostavo bioloških zdravil, ki bi izboljšal kakovost življenja mnogim pacientom. Zaradi lokalne aplikacije bi bili neželeni stranski učinki zmanjšani, pacienti pa bi se lažje držali režima terapije. Prav tako bi naš sistem zmanjšal število invazivnih zdravniških posegov, hkrati pa omogočil napredno večstopenjsko zdravljenje.

Sistem za produkcijo in dostavo bioloških zdravil smo načrtovali v obliki mikroenkapsuliranih sesalskih celic, ki bi jih lahko kontrolirali ter jih usmerili v produkcijo različnih zdravil. Tak sistem bi bil zanesljiv, cenovno učinkovit in varen.

Stikalo: nov tip ortogonalnega preklopnega stikala S pomočjo DNA-vezavnih proteinov smo pripravili nov tip bistabilnega preklopnega stikala za sesalske celice, ki omogoča tudi razširitev v več ortogonalnih stikal in na ta način pripravo kompleksnih logičnih naprav. Ugotovili smo, da je klasična shema preklopnih stikal neučinkovita, če uporabimo kot represorje efektorje TAL, saj se ti vežejo na DNA nekooperativno kot monomeri. Ta problem smo rešili tako, da smo pripravili stikalo, sestavljeno iz para medsebojnih represorjev (TAL:KRAB), sklopljenega s parom aktivatorjev (TAL:VP16), ki tvorita pozitivno povratno zanko. Eksperimentalno smo potrdili, da lahko takšen sistem v sesalskih celicah vodi do bistabilnega stanja, ki ga lahko nadzorujemo s pomočjo nizkomolekularnih induktorjev. Preberi več...	Varnost Da bi bil naš sistem mikroenkapsuliranih sesalskih celic povsem varen za paciente, smo načrtovali več varnostnih mehanizmov. Tako se bodo alginatne mikrokapsule po koncu terapije lahko varno razgradile, v terapevtskih celicah pa se bo nadzorovano sprožila apoptoza oz. programirana celična smrt. Za vsak slučaj, da ne bi katera od celic nenadzorovano ušla iz mikrokapsule, pa smo celice opremili tudi z oznako, ki omogoča učinkovito odstranitev terapevtskih celic s pomočjo telesu lastnih imunskih celic, t.i. naravnih ubijalk. Preberi več...	Uporaba: napredno zdravljenje različnih bolezni Naš sistem smo oblikovali za zdravljenje hepatitisa C ter srčne ishemije. Uporabili smo pet različnih terapevtskih proteinov, za katere je naš farmakokinetični model pokazal, da bi njihova uporaba lahko zmanjšala neželene stranske učinke in izboljšala učinkovitost terapije. Preklop med produkcijo protivirusnih oz. protivnetnih učinkovin ter produkcijo učinkovin, ki bi pospešile regeneracijo obolelega tkiva, bi od zunaj kontroliral zdravnik s pomočjo nizkomolekularnih induktorjev. Preberi več...
Modeliranje: analiza genskega stikala ter farmakokinetike Obsežno matematično modeliranje je pokazalo, da klasično preklopno stikalo ni stabilno brez kooperativnosti. Hkrati je modeliranje pokazalo, da uporaba modularnih DNA-vezavnih transkripcijskih regulatorjev, ki tvorijo dvojno pozitivno povratno zanko, izboljša robustnost stikala. Takšna topologija ne zahteva kooperativnosti, saj nelinearnost nastane zaradi pozitivne povratne zanke. Farmakokinetični model lokalne dostave terapevtika z mikroenkapsuliranimi celicami predvidi, da bi predlagana terapija lahko zmanjšala neželene stranske učinke. Preberi več...	Družba: vključenost vseh, na katere lahko sintezna biologija vpliva Pri pripravi našega projekta smo želeli upoštevati mnenja ljudi iz različnih sfer, tako zdravnikov kot pacientov, pripravljalcev in nadzornikov zakonodaje, splošne javnosti, medijev ter znanstvenikov. Z njimi smo se pogovarjali o različnih vidikih našega projekta ter o medicinskih aplikacijah sintezne biologije, saj bodo njihovi pogledi pomembno vplivali na uspešno uvedbo sintezne biologije v klinično prakso. Sintezno biologijo ter njene medicinske in ostale potenciale smo želeli predstaviti tudi mlajšim generacijam, zato smo vspostavili stike tudi z različnimi srednjimi šolami. Preberi več...	Obeti: prispevek k drugim aplikacijam ter načrti za prihodnost Varnostni mehanizmi (oznaka, ki olajša nadzor imunskemu sistemu, nadzorovana razgradnja kapsul ter inducirana smrt terapevtskih celic) omogočajo uporabo tudi za druge terapevtske namene, namen imamo pripraviti stabilne celične linije, ki bi imele vključene vse komponente stikala z različnimi terapevtskimi učinkovinami in varnostnimi mehanizmi, načrtovana ortogonalna logika, ki temelji na transkripcijskih faktorjih povezanih z elementi TAL, bo omogočila pripravo desetine ali stotine različnih stikal in doseganje multistabilnih stanj ter drugih kompleksnih logičnih naprav, pričeti želimo s prvimi in vivo poskusi na področju ishemije in celjenja ran. Preberi več...

Povzetek za nestrokovnjake

Biološka zdravila se čedalje pogostje uporabljajo za zdravljenje različnih bolezni, saj imajo zaradi bolj specifične narave njihovega delovanja mnogo prednosti pred običajnimi zdravili. Biološka zdravila se ponavadi dajejo sistemsko, zaradi česar se zdravilo razporedi bolj ali manj po celem telesu, čeprav bi bilo mnogokrat zaželeno, da bi delovalo le na določeno tarčno tkivo oz. organ. Zato ima običajna oblika zdravljenja mnogokrat nevarne stranske učinke, terapija pa zahteva višje doze zdravila, kar poveča tudi ceno zdravljenja. Naša ideja za rešitev tega problema je, da bi direktno v obolelo tkivo vstavili celice, ki bi proizvajale biološko zdravilo. Te terapevtske celice bi bile varno spravljene v zaščitni mikrokapsuli, ki bi preprečila širjenje teh celic po telesu, hkrati pa bi jih zaščitila pred imunskim sistemom bolnika, ki bi sicer napadel in uničil telesu tuje celice. Razvili smo biološko napravo, ki terapevtskim celicam omogoča, da proizvedejo različna zdravila, zdravnik pa bi lahko nadzoroval, katero zdravilo bi se proizvajalo glede na fazo bolezni. Terapevtske celice smo prilagodili z namenom zdravljenja hepatitisa C, tako da lahko proizvajajo biološko zdravilo s protivirusnim učinkom, nato pa še zdravilo, ki pospeši regeneracijo jeter. Z namenom terapije po srčnem infarktu pa smo terapevtske celice prilagodili tako, da njihovo delovanje zmanjša škodljivo vnetje ter pospeši tvorbo novih krvnih žil v okolici prizadetega tkiva. Ob koncu terapije (po potrebi pa tudi vmes) lahko zdravnik preko zunanjega signala sproži samouničenje terapevtskih celic in mikrokapsul. Verjamemo, da je naš sistem varen in učinkovit ter da bi se ga dalo prilagoditi za zdravljenje različnih tipov bolezni.

Dosežki (bolj podrobno):

Prvi smo eksperimentalno pokazali delovanje bistabilnega preklopnega stikala v sesalskih celicah, ki temelji na nekooperativnih DNA-vezavnih proteinih, ter bistabilnega stikala, ki temelji na načrtovanih DNA-vezavnih proteinih.
V sesalskih celicah smo pripravili in preizkusili bistabilno preklopno stikalo, osnovano na ortogonalnih TAL-represorjih in aktivatorjih.
Matematično modeliranje je pokazalo izboljšanje robustnosti stikala, osnovanega na pozitivni povratni zanki, tudi ob upoštevanju puščanja transkripcije.
V mikroenkapsulirane sesalske celice smo vgradili tri varnostne mehanizme:
- oznako, ki omogoča uničenje iz mikrokapsul pobeglih celic s pomočjo celic naravnih ubijalk;
- sekretorno alginat liazo, ki razgradi alginatne mikrokapsule;
- sistem za sprožitev programirane celične smrti terapevtskih celic ob dodatku ganciklovirja.
Predvideli smo kombinacijo dveh bioloških zdravil (interferona alfa ter rastnega faktorja hepatocitov) za zdravljenje hepatitisa C, saj lahko na tak način v prvi fazi zdravljenja inaktiviramo virus, v naslednji fazi pa spodbudimo regeneracijo jeter.
Za zdravljenje ishemije smo predvideli kombinacijo večih bioloških zdravil (anakinre, vaskularnega endotelijskega rastnega faktorja, rastnega faktorja iz trombocitov), da bi na tak način najprej zmanjšali neželeno vnetje, nato pa v drugi fazi zdravljenja pospešili nastajanje novih krvnih žil.
Pripravili smo 89 novih konstruktov DNA, ki so kompatibilni s sintezno-biološkim standardom »BioBrick« in smo jih uporabili v načrtovanih bioloških napravah.
Izboljšali smo enega od že obstoječih standardnih "BioBrick" konstruktov DNA.

Sponzorji projekta